摘  要： 設計了電梯限速器測試儀。硬件電路以STC89C56RD單片機為核心，運用旋轉編碼器動態地跟蹤限速器的速度，記錄并在液晶顯示器上顯示動作速度，測試完畢后用通信接口向上位計算機傳送檢測數據。軟件編程完成采集數據的計算、控制存儲等功能。
關鍵詞： 智能檢測；限速；程序；頻率測試 

　隨著電梯行業的快速發展，目前電梯的最快速度已達到18 m/s，因此保障電梯安全運行成為重要的研究課題。電梯限速器是保障電梯安全運行的重要保護裝置，它可以隨時監測、控制轎廂的上限速度。當電梯運行速度達到限速器超速開關動作值時，限速器產生機械動作，切斷供電電路，使曳引機制動；如果電梯制動無效，達到其額定速度的115%時，安裝在轎廂底部的安全鉗動作，將轎廂強制制停在導軌上，從而避免發生人員傷亡及設備損壞事故。限速器是指令發出者，而安全鉗是執行者，兩者協同作用以確保搭乘電梯人員的安全。因此對限速器的動作速度進行定期測試尤為重要，它是搭乘電梯安全時最可靠最關鍵的保護措施。
受某特檢院的委托，本系統以單片機為核心，設計了專門的硬件電路及相應的輔助電路，結合各種控制程序的功能塊，使限速器測試儀的測量范圍廣、精度高，滿足電梯的安全運行要求，出色地解決了降低控制成本和提高控制可靠性的矛盾。本設計既適用于質量技術監督局、商檢局、電梯安裝部門等單位對電梯限速器的現場檢測，同時又適用于電梯及限速器生產廠家的在線檢測，對限速器動作速度的檢測具有深遠的意義及應用前景。
1 總體設計
　本設計主要是測試安全鉗的機械動作速度，在測試過程中滑輪與安全鉗直接接觸，故滑輪與安全鉗的線速度相等，而滑輪的最大速度即為安全鉗的動作速度。通過旋轉編碼器測得滑輪的線速度，通過測試旋轉編碼器產生的頻率f就可以測得限速器轉動的速度，限速器動作的速度即為頻率的最大值。

　其中V為限速器速度，單位為m/s；f為旋轉編碼器輸出頻率，單位為Hz；n為旋轉編碼器每轉脈沖數；D為滑輪直徑，單位為m。
　本設計由硬件電路和軟件編程兩部分組成。
　硬件部分主要包括單片機、輸入模塊、顯示模塊、信號采集模塊、通信模塊及電源等。通過輸入模塊可以進行數據的瀏覽、編號的設置和單位的切換以及數據的測試和保存。顯示模塊主要由LCD1602組成，主要顯示測試數據和歷史保存的數據。信號采集模塊主要完成對旋轉編碼器產生的頻率進行濾波和轉換。通信模塊主要是完成采集數據的上傳，使采集的數據能及時地傳入數據庫保存。
　軟件部分采用查詢和中斷相結合的方式，主要完成鍵盤輸入的設置、對采集數據的計算、控制存儲及與上位機通信等功能。
2 硬件設計
　本設計的硬件部分主要由旋轉編碼器，單片機、液晶顯示器、鍵盤、電源和通信接口組成，系統框圖如圖1所示。

　本系統的核心采用STC89C58RD+單片機，該MCU是STC公司生產的一款新型增強型單片機，它不僅兼容89C51單片機，還增加了許多功能，包括其內部1 280 KB RAM，32 KB 的Flash供用戶存儲程序，還有16 KB 的EEPROM可以存儲大量的關鍵數據并且內部還集成了看門狗復位電路[6]，可有效地克服干擾引起的死機，提高可靠性。這不僅簡化了下位機系統結構還降低了成本。
　為了提高采集精度，旋轉編碼器采用每轉脈沖數為1 024的光電編碼器[4]。實際檢測中，滑輪的直徑為0.35 cm，因此產生的誤差為3.14×0.35/1 024=0.00 107 cm。液晶顯示器選擇通用的LCD1602，主要用來顯示測試數據，亦可瀏覽已保存的數據。鍵盤選用最常用的按鈕，為了使得系統更為精巧，成本更低，總共只設計了六個按鍵，采用按鍵復用，使其具有長按和短按兩種方式。通信接口采用串行的232接口[3]和USB接口相結合，方便測試完畢后向上位計算機傳送信息。電源選用可充電鋰電池，充電部分主要由LM317[5]組成的恒流源充電，提高電池的使用壽命和充電量，符合便攜式儀器體積小的要求。
2.1 濾波電路
　該部分主要為了解決輸入信號穩定的問題，提高系統的抗干擾能力，輸入信號為高速脈沖信號，但是該信號具有毛刺，不是標準的脈沖信號。為了使脈沖下降沿更陡和濾除毛刺，加入施密特濾波電路完全可以解決問題。在本設計中直接接入帶有施密特觸發器的反相器74LS14，其接線圖如圖2所示，處理效果如圖3所示。

2.2 通信電路
　為了使數據能及時入庫，需要將采集的數據及時傳入計算機，在本系統中，采用232接口+USB接口方法，使得本測試儀更靈活更方便。尤其對于沒有COM口的計算機，更具有優越性。在本部分中主要使用PL2303和MAX232，其中PL2303是Prolific公司生產的一種高度集成的RS232-USB接口轉換器。該器件內置USB功能控制器、USB收發器、振蕩器和帶有全部調制解調器控制信號的UART，只需外接幾只電容就可實現USB信號與RS232信號的轉換。其具有以下特征：完全兼容USB1.1協議；可調節的3～5 V輸出電壓，滿足3 V、3.3 V和5 V不同應用需求；支持完整的RS232接口，可編程設置的波特率：75 b/s～6 Mb/s，并為外部串行接口提供電源；512 B可調的雙向數據緩存；支持默認的ROM和外部EEPROM存儲設備配置信息，具有I2C總線接口，支持從外部Modem信號遠程喚醒；支持Windows98、Windows2000、WindowsXP等操作系統；28引腳的SOIC封裝。應用電路如圖4所示。

3 軟件設計
　軟件設計主要完成與上位機通信、鍵盤輸入、顯示輸出和對輸入脈沖信號的頻率進行采集以及計算。
3.1 串口通信程序
　在進行數據處理時，若要將信息上傳到上位機的數據庫，則采用串口中斷設計，其流程圖如圖5所示。

3.2 主程序
　主程序主要解決按鍵處理、顯示和參數的設置。在進行按鍵處理時需注意：(1)采用軟件消抖[1]的方法，使得按鍵更加可靠。(2)區分本次按鍵是屬于長按還是單點，最簡單的方法是判斷鍵盤按下的時間，長按的時間一般在2 s以上，因此2 s內為單點，2 s外為長按。(3)在鍵盤處理完后首先需要判斷鍵盤是否還原到初始狀態，尤其是對于長按，要求有判斷鍵盤彈起的程序，否則會出現誤處理的現象。(4)按鍵處理總共涉及到了兩級菜單功能。一級菜單實現數據瀏覽、設置單位、刪除數據等功能，二級菜單實現電梯編號的設置和測試以及對測試的數據進行保存刪除等功能。其處理流程圖如圖6所示。

3.3 脈沖頻率測試及處理程序
　為節約成本，采用單片機的控制接口進行脈沖頻率的采集，因此采集精度的高低完全取決于軟件控制。為了減少測量誤差，提高速度的動態性能，通過反復實驗將測量周期定為10 ms，并采用脈沖同步技術[7]。對于這種高速的頻率測試，需要采用單片機標準的計數器，為了使得時間更為精準，采用了單片機標準的定時器，該部分中主要采用中斷控制，可以提高系統的實時性。脈沖同步主要采用計數器1中斷實現，將計數器的初值設置得很大，如初值為65 526，因此當外來脈沖再來10個時，計數器1將產生中斷，此時正好是輸入脈沖的下降沿，也為下一個脈沖的起始位，在此時啟動定時器0，就可以解決脈沖同步的問題。當定時器0中斷到來時即為10 ms時間結束，在此時關閉計數器1，而在計數器1內部寄存器TH1和TL1的值即為10 ms內頻率的個數。通過相應的計算可以計算出當前的頻率和相應的速度，經過反復的測量和比較找出其最大頻率即為當前限速器的動作速度。其流程圖如圖7所示。

　脈沖同步技術是利用單片機的定時器和計數器中斷來實現的，兩中斷配合程序如下所示：
　(1)計數器1中斷處理程序
　該中斷處理程序主要完成脈沖同步。將計數初值設為65 536-10=65 526，這樣當脈沖到來時很快可以取得同步。計數器1產生中斷時，表示剛采集到信號的下降沿，此時需要關閉計數器1中斷，并打開定時器0，表示采集開始。為了減少指令執行時的誤差將啟動定時器指令放在中斷入口處。
        org 001bh
　setb tr0  ；；(一旦進入中斷將打開定時器)
　ljmp dsq1_interupt
   　.
   　.
   　.
　dsq1_interupt：
            clr tf0
　clr tf1
　setb et0
　clr et1
　reti
　(2)定時器0中斷處理程序
　該程序主要完成測量周期的精確定時。本設計的定時時間為10 ms，晶振頻率為11.059 2 MHz，因此定時器初值x的計算公式為[1]：
　
　由式(2)可得定時器初值為x=65 536-9 126=56 320。
　為了提高采集頻率的精度，減少指令執行帶來的誤差，將關閉計數器1的指令放在中斷入口處。在定時器中斷處理程序中主要完成對當前速度的采集和下一次采集的初始化，主要是定時器0和計數器1的初始化。處理程序如下：
　org 000bh
　clr tr1   ；；(關閉計數器1)
　clr tf0
　ljmp dsq0_interupt ；； 進入中斷處理程序
       .
       .

       .
4 采集精度測試和頻率采集效果
　為了驗證單片測試速度精度和脈沖同步技術的優點，將采集信號端接標準的信號發生器，從單片機讀取速度，由于采用10 ms間隔，所以f=100×(TH1×256+TL1)(Hz)，通過式(1)可以得出相應的速度。其測試效果如圖8所示，其中曲線1表示沒有加脈沖同步技術的誤差曲線，曲線2表示加了脈沖同步技術的誤差曲線。

　從上面的測試結果可以清楚地看到，沒有加脈沖同步技術的測試儀產生的誤差比較大，而且上下波動也大，最大絕對誤差達到了0.065 m/s，不滿足精度要求，而且測試中速度跳動很大，不穩定。而具有脈沖同步技術的測試儀比較穩定，尤其是對于低頻率段誤差基本上為0，對于高頻率段誤差基本上在0.01 m/s，這完全可以滿足采集要求，而且測量速度波動小，很穩定。
　該限速器測試儀主要用于檢測電梯限速器輪盤線速度，即限速器動作速度。不僅適用于質量技術監督局、商檢局、電梯安裝部門等單位對電梯限速器的現場檢測，也適用于電梯及限速器生產廠家的在線檢測[2]?，F此儀器已應用于實際中，供電方便(內置9 V電池)、測量范圍廣、精確度高(測量范圍：0.5~12 m/s，準確度：﹤±0.5%)，基本上滿足現代電梯的要求；能實時記錄數據，最多可以記錄1 000條記錄，足夠應對現場測量；具有RS232接口，能上傳數據到計算機，方便數據的處理。
參考文獻
[1] 丁元杰.單片微機原理及應用.北京：機械工業出版社， 2005.
[2] 常健生.檢測與轉換技術.北京：機械工業出版社，2007：225-230.
[3] 張天凡.51單片機C語言開發詳解.北京：電子工業出版社，2008：208-216.
[4] 李福進.基于單片機的轉速測量方法.工礦自動化，2006(1)：54-55.
[5] 康華光.電子技術基礎(模擬部分).北京：高等教育出版社，2006：500-506.
[6] 陳志軍.高精度水文數據采集終端的設計與實現.自動化儀表，2009(5)：66.
[7] 周杏鵬.現代檢測技術.北京：高等教育出版社，2004： 55-62.